Twarda science fiction to podgatunek w większym gatunku science fiction pisania i pracy twórczej, który jest identyfikowany przez kilka cech wspólnych. Na przykład większość tych prac jest napisana tak, aby bardzo realistycznie przedstawiać naukę i różne aspekty świata, w którym toczy się historia. Mimo że takie prace są nadal fikcyjne, dokłada się starań, aby fikcyjne szczegóły były realistyczne i oparte na dostępnej wiedzy naukowej. Twarde science fiction może mieć również bardziej spekulacyjny i fantazyjny charakter, ale nadal trzyma się całościowej i spójnej wizji wszechświata opowieści.
Termin „twarda science fiction” jest zwykle używany w przeciwieństwie do „miękkiej science fiction” i służy do wskazania, jak realistyczne jest przedstawienie fikcyjnego wszechświata. W tym znaczeniu słowa „twarde” i „miękkie” odnoszą się do dzieł, które są tworzone w sposób mniej lub bardziej realistyczny. Na przykład twarda science fiction jest często tworzona z myślą o tym, co jest możliwe lub rzeczywiste w granicach obecnego zrozumienia naukowego. Oznacza to, że postacie w takim utworze są zwykle ograniczone realistycznymi ograniczeniami, takimi jak skutki niskiej grawitacji, brak spalania w przestrzeni kosmicznej, a także konieczność posiadania pełnych skafandrów i aparatów oddechowych podczas eksploracji obcych światów.
W przeciwieństwie do tego miękkie science fiction zwykle mniej przylega do realistycznych aspektów pisarstwa naukowego. Prace te mogą zawierać nierealistyczne szczegóły, takie jak dźwięk lub ogniste eksplozje w próżni kosmicznej, postacie eksplorujące obce światy bez osłon ochronnych i bardziej fantastyczne elementy we wszechświecie opowieści. Istnieją pewne elementy, które mogą być obecne zarówno w miękkiej, jak i twardej science fiction, chociaż prace „twarde” zwykle zajmują się tymi elementami w bardziej spójny sposób.
Pojęcia takie jak na przykład podróżowanie szybsze niż światło często można znaleźć w miękkiej science fiction i mogą być nieco kontrowersyjne w twardej science fiction. Na ile współczesna nauka potrafi wyjaśnić, takie podróżowanie jest stosunkowo niemożliwe. Istnieją jednak pewne sposoby obejścia tego ograniczenia, a twarda fantastyka naukowa jest zwykle pisana w celu obejścia takich ograniczeń w sposób, który nadal wydaje się wierny światu, w którym osadzona jest historia. Prace te prawdopodobnie prezentują technologię, która rozwiązuje takie problemy w sposób w pełni rozwinięty, a nie tylko wyjaśniają ją „cudem” nauki.